否定一个数字的最快方法答案

【问题标题】：fastest way to negate a number否定一个数字的最快方法
【发布时间】：2013-02-27 11:54:00
【问题描述】：

我今天早上在这里想，什么是最快的方法可以将正数反转为负数，从负数反转为正数，当然，最简单的方法可能是：

int a = 10;
a = a*(-1);

或

int a = 10;
a = -a;

但后来，我想，我用它来做到这一点，使用命令 shift 和 pointers ... 那真的有可能改变一个值的符号，使用命令移位运算符和内存？

【问题讨论】：

编译器可能会优化这些简单的东西。自己试试吧。
同意泽塔。寻找最易读的东西
不确定你想用“指针”做什么以及为什么你认为使用它们会比a = -a; 更快。其实我不明白为什么你认为编译器在编译a = -a;时不一定会使用最高效的实现。
除非汇编器放在inline 并且绝对不会影响代码生成，否则它不可能产生比编译器更好的代码...
编译语言规则1：不要对编译器撒谎；它稍后会回来咬你。如果您发现编译器工作不佳，请向开发人员提交错误报告。优化您的算法，而不是您的基本操作。

标签： c++ visual-c++ x86 micro-optimization visual-c++-2012

【解决方案1】：

使用可读的东西，例如

a *= -1;

或

a = -a;

剩下的交给优化器。

【讨论】：

【解决方案2】：

禁用优化后，gcc for x86 将第一个编译成这个 asm：

    .file   "optimum.c"
    .def    ___main;    .scl    2;  .type   32; .endef
    .text
.globl _main
    .def    _main;  .scl    2;  .type   32; .endef
_main:
    pushl   %ebp
    movl    %esp, %ebp
    andl    $-16, %esp
    subl    $16, %esp
    call    ___main               # MinGW library init function
    movl    $10, 12(%esp) ;i = 10
    negl    12(%esp)      ;i = -i
    movl    $0, %eax
    leave
    ret

禁用优化后，第二个生成：

    .file   "optimum.c"
    .def    ___main;    .scl    2;  .type   32; .endef
    .text
.globl _main
    .def    _main;  .scl    2;  .type   32; .endef
_main:
    pushl   %ebp
    movl    %esp, %ebp
    andl    $-16, %esp
    subl    $16, %esp
    call    ___main
    movl    $10, 12(%esp)   ;i = 10
    negl    12(%esp)        ;i = -i
    movl    $0, %eax
    leave
    ret

同样的输出！生成的汇编代码没有区别。

--------------编辑，他使用 VC++2012 的 OP ANSWERS，INTEL ARCH-------- ------------

使用cl optimum.c /Fa optimum.asm 编译（已禁用优化）

; Listing generated by Microsoft (R) Optimizing Compiler Version 16.00.30319.01 

    TITLE   C:\Users\Dell\Downloads\TTH\TTH\TTH\optimum.c
    .686P
    .XMM
    include listing.inc
    .model  flat

INCLUDELIB LIBCMT
INCLUDELIB OLDNAMES

PUBLIC  _main
; Function compile flags: /Odtp
_TEXT   SEGMENT
_a$ = -4                        ; size = 4
_argc$ = 8                      ; size = 4
_argv$ = 12                     ; size = 4
_main   PROC
; File c:\users\dell\downloads\tth\tth\tth\optimum.c
; Line 4
    push    ebp
    mov ebp, esp
    push    ecx
; Line 5
    mov DWORD PTR _a$[ebp], 10          ; 0000000aH
; Line 6
    mov eax, DWORD PTR _a$[ebp]
    neg eax ;1 machine cycle!
    mov DWORD PTR _a$[ebp], eax
; Line 7
    xor eax, eax
; Line 8
    mov esp, ebp
    pop ebp
    ret 0
_main   ENDP
_TEXT   ENDS
END

使用第二种方法 (a = a * -1)，优化禁用 MSVC：

; Listing generated by Microsoft (R) Optimizing Compiler Version 16.00.30319.01 

    TITLE   C:\Users\Dell\Downloads\TTH\TTH\TTH\optimum.c
    .686P
    .XMM
    include listing.inc
    .model  flat

INCLUDELIB LIBCMT
INCLUDELIB OLDNAMES

PUBLIC  _main
; Function compile flags: /Odtp
_TEXT   SEGMENT
_a$ = -4                        ; size = 4
_argc$ = 8                      ; size = 4
_argv$ = 12                     ; size = 4
_main   PROC
; File c:\users\dell\downloads\tth\tth\tth\optimum.c
; Line 4
    push    ebp
    mov ebp, esp
    push    ecx
; Line 5
    mov DWORD PTR _a$[ebp], 10          ; 0000000aH
; Line 6
    mov eax, DWORD PTR _a$[ebp]
    imul    eax, -1 ;1 instruction, 3 machine/cycles :|
    mov DWORD PTR _a$[ebp], eax
; Line 7
    xor eax, eax
; Line 8
    mov esp, ebp
    pop ebp
    ret 0
_main   ENDP
_TEXT   ENDS
END

因此，如果您关心 MSVC 下调试模式 asm 的性能，您可以相应地优化您的源代码。通常，您只关心优化构建中的性能。

【讨论】：

gcc 没有优化！ gcc -c optimum.c -S -o optimum.s
@MrLister 任何体面的自尊编译器都会产生相同（相似）的代码。
重点是：不要猜测，不要假设，不要读心：）这个问题一般是关于 C 或 C++ 的。但实际上，除非您对特定 CPU 有深入的了解，否则尝试手动优化根本没有任何意义。 99% 的程序员并不比为特定 CPU 编写编译器端口的人更了解这些事情。
@Aniket 您应该能够在编辑历史记录中看到他的编辑。分别是movl $10, 12(%esp) // i = 10 和negl 12(%esp) // i = -i。 @GrijeshChauhan 通过 cmets 建议对海报进行此类更改而不是自己编辑帖子被认为更好，因为您将更改内容的含义。
@Aniket：MSVS 2012 编译优化了吗？也许您可以指出这一点——也许 /Odtp 意味着，但这并不明显！最好只显示列表中的差异。

【解决方案3】：

其他答案正确地表明可读性更重要：

您应该忘记速度，选择您认为最易读的成语。
几乎所有编译器（启用优化）都会为a = -a、a *= -1 等生成等效的最佳代码（可能是一条指令）。¹
任何使它更快的尝试都会使其可读性大大降低，并且很容易使其变慢。
如果您需要优化，您应该从分析生成的代码和性能开始。

然而，*= -1 成语有一个实际优势：您只需在左侧写一次，它只被评估一次——读者只需阅读一次！当 LHS 较长、复杂或昂贵或可能有副作用时，这是相关的：

(valid ? a : b)[prime_after(i++)] *= -1;
*look_up (input) *= -1;  // Where look_up may have side-effects
parity[state][(unsigned int)getc(stdin)] *= -1;
variable_with_a_long_explanatory_name *= -1;

一旦人们采用了一种习语，人们往往会在其他情况下坚持使用它。

¹_{Peter Cordes的观察：几乎所有的编译器都明白a = -a和a *= -1是完全一样的，并且会发出他们决定的任何asm无论您如何编写它，都将在目标 CPU 上最有效。（例如，Godbolt compiler explorer 用于 x86 gcc/MSVC/clang 和 ARM gcc。）}_{但尽管 MSVS 2012（仅在调试模式下）对每个指令使用一条指令，但 = -a 和3 代表最近的 Intel CPU 上的 *= -1，使用实际的 imul 指令。}

【讨论】：

【解决方案4】：

也是 0 - n

Gcc 为所有四种情况发出“neg”指令：-n、0 - n、n * -1 和 ~n + 1

【讨论】：

【解决方案5】：

假设处理器至少有一定的能力并且有sizeof(int) == sizeof(Cpu_register)，那么“使这个数字为负”将是一条指令（通常称为neg）[嗯，可能也需要加载和存储值，但是如果您将该变量用于其他任何用途，它可以在加载后保留，并且仅在稍后存储...]

乘以-1 很可能比a = -a; 慢，但大多数有能力的编译器应该能够使这两者等效。

所以，只要把代码写清楚，剩下的就自己处理好了。在大多数处理器中，取反一个数字并不是什么困难的操作。如果你使用了一些不寻常的处理器，那么看看编译器的输出，看看它做了什么。

【讨论】：

【解决方案6】：

你可以试试

int a = 10;
a= ~a+1;

但您不必担心，因为编译器会以最好的方式做到这一点。

【讨论】：

这正好说明了为什么这种优化是一个坏主意。正如所写，它既是更多的操作，又是更少的可读性。一个体面的编译器将帮助您解决第一个问题，但不能帮助您解决第二个问题。
@rici 且不可移植，因为它依赖于二进制补码。
@rici：它在 C 抽象机器中有更多的操作，但它仍然使用 gcc/clang/MSVC godbolt.org/g/C3F3Qx 编译为 neg（在提供这些的 x86 和 ARM 等 2 的补码机器上一条指令中的操作）。如果您使用unsigned 执行此操作（并且仅在位操作后转换回int），它具有有趣的优势，即在INT_MIN 上不是UB，而-a 或a * -1 将被签名溢出。这是 only 的优势。它的可读性很差，而且不便携。
@peter：虽然我在四年半前写了那条评论，但我认为可以坚持下去。我确实说过一个像样的编译器会优化操作，所以 gcc、clang 等这样做的事实与我写的完全一致。为什么你声称-a 是 unsigned 值上的 UB？
@rici：我声称对于int a = INT_MIN，它是UB 做-a，而不是做(int)(~(unsigned)a + 1)。当然，现在我想起来了，你可以只做(int)-(unsigned)a 来获得相同的结果（两者的补码/无符号否定，即使在一个补码或符号/幅度 C++ 实现上）。所以nvm，这个优势为零。（回复：效率：我只是说这不是更糟。绝对不是更好！正如你所说，它与-和*= -1编译相同。）

【解决方案7】：

使用高级语言的解决方案

此类问题在面试和竞争激烈的编程世界中很受欢迎。

我来到这里研究更多不使用 - 或 + 运算符的数字否定解决方案。

为此：

使用~运算符补数
然后使用半加器逻辑将步骤 1 中获得的数字加 1：

> int addNumbers(int x, int y)
>       {
>                    if(y==0)  return x; // carry is 0 
>                    return addNumbers(x^y,(x&y)<<1);
>         }

这里x^y执行位相加，x&y处理进位操作

【讨论】：